الکترود فونداسیون (یوفر) و ارزیابی یک رابطه

الکترود فونداسیون به خاطر مزایای فنی و اقتصادی، جذابیت ویژه‌ای برای فعالان حوزه ارتینگ داشته و عدم استفاده از آن، عملا از دست دادن یک فرصت ارزشمند است. هدف اصلی این مقاله شبیه سازی یک فونداسیون نسبتا کوچک و بررسی نتیجه آن در کنار ارزیابی روشهای تخمین مقاومت با استفاده از روابط است. تقاضا می‌شود در صورت علاقه به بحث‌های مطرح شده در این تارنما حتما ما را به دوستان و همکاران خود نیز معرفی فرمایید.

پیشنهاد می‌شود از سایر مقالات حوزه ارتینگ با استفاده از این لینک دیدن فرمایید. در ضمن حتما برای دریافت آخرین اخبار در حوزه انتشار مقالات جدید در کانال تلگرام این وبسایت به آدرس vdelta_ir عضو شوید.

الکترود "فونداسیون"، "یوفر" یا "مدفون در بتن" به مجموعه‌ای از هادی‌های تعبیه شده در بتن گفته می‌شود که در صورت رعایت چند شرط می‌تواند به عنوان یک الکترود زمین مورد استفاده قرار بگیرد. فونداسیون یا پی عضو جدایی‌ناپذیر از بسیاری از سازه‌ها بوده و از آن جا که وجود آن با اهداف عمرانی واجب است، با رعایت نکات و ملاحظات مربوطه می‌توان از آن به عنوان یک الکترود موثر و تقریبا رایگان (!!!) استفاده کرد.

در سازه‌های بزرگ مساحت تحت پوشش فونداسیون به قدری بزرگ است که می‌تواند مقاومت زمینی بسیار کوچک (کمتر از 1 اهم) را فراهم نماید. هرچند لازم به ذکر است که مقاومت نهایی این نوع از الکترود علاوه بر ابعاد و طراحی آن به میزان رطوبت و مقاومت مخصوص خاک نیز وابسته است. بتن جاذب رطوبت بوده و مقاومت مخصوصی در حدود 30 الی 90 اهم‌متر را در حالت مدفون در خاک و در دماهای معمولی نتیجه می‌دهد، که از بسیاری از خاک‌ها کمتر است (در حالتی که در خاکی به شدت خشک نباشد).

بسته به آن که طراحی ما سازگار با چه استاندارد یا مرجعی باشد، الکترود فونداسیون ممکن است نیازمند رعایت شرایط متفاوتی باشد. برای نمونه استانداردهای IEEE80، NFPA70، BS7430 و DIN18014 از جمله استانداردهایی هستند که به این نوع از الکترود پرداخته‌اند و ممکن است در جزئیات قدری با یکدیگر متفاوت باشند. علاوه بر آن حتما میبایست شرایط بروز تهدیدات استفاده از چنین الکترودی (نظیر تهید بروز خوردگی، تهدید جریانهای مستقیم، ناسازگاری فلزات استفاده شده و امثالهم) نیز در کنار مزایا در نظر گرفته شود. هدف از این مقاله لزوما پرداختن به جزئیات اجرایی این نوع از الکترود نیست و انشالله در صورت باقی بودن عمر در مقالات آتی به بررسی هر یک از استانداردهای نامبرده پرداخته خواهد شد. 

این که طراح در مرحله طراحی سیستم زمین بداند یک سیستم زمین خاص چه مقاومتی را نتیجه می‌دهد امری بسیار مهم است. برای سیستم‌های زمین ساده نظیر یک یا چند الکترود عمودی و یا الکترودهای افقی روابط متعددی در استانداردها ارائه گردیده است. اما برای الکترودهای فونداسیون، خصوصا انواع نواری و گسترده، رابطه خاصی در استانداردهای مشهور یافت نمی‌شود، به استثناء یک مورد (تاجایی که بنده اطلاع دارم)! استاندارد BS6651:1999 با عنوان Code of practice for protection of structures against lightning که مطابق با وبسایت bsi دیگر فعال نیست (شکل 1) رابطه‌ای برای محاسبه مقاومت یک الکترود زمین مدفون در بتن دارد که در شکل 2 آورده شده است. 

شکل 1- وضعیت فعلی استاندارد withdrawn ذکر شده است.

شکل 2- رابطه محاسبه مقاومت الکترود فونداسیون

در رابطه شکل 2، ρ مقاومت مخصوص خاک بر حسب اهم متر، V حجم بتن در واحد متر مکعب و R مقاومت سیستم زمین بر حسب اهم است. در این استاندارد گفته میشودهنگامی که فونداسیون‌های بتن مسلح به عنوان الکترود زمین استفاده میشوند میتوان از این رابطه مقاومت زمین را "تخمین" زد. این عبارت تخمین در این جا به طراح گوشزد می‌کند که احتمالا این رابطه با محدودیت‌هایی از نظر دقت روبرو بوده و میبایست نسبت به خروجی آن هوشیار بود.

برای نمونه یک سیستم زمین فونداسیون نظیر آن چه در شکل 3 ارائه گردیده را در نظر بگیرید. ابعاد و اطلاعات این سیستم زمین در شکل مشخص شده است. مقطع شناژهای بیرونی 90 در 50 سانتی متر و مقطع شناژهای درونی 50 در 50 سانتی متر است. حجم بتن محاسبه شده در این مثال برابر با 15.57 متر مکعب می‌گردد. با استفاده از رابطه شکل 2، حجم بتن محاسبه شده و در نظر گرفتن مقاومت مخصوص 100 اهم متر برای خاک، مقاومت سیستم زمین برابر با 8.11 اهم محاسبه می‌شود. اما یک پرسش، این رابطه چقدر دقیق و این خروجی چقدر قابل اتکا است؟

شکل 3 - نمایی از سیستم زمین فونداسیون تحت شبیه سازی

برای سنجش دقت این رابطه (منحصر به مثال این مقاله) از شبیه‌سازی کامپیوتری سیستم زمین شکل 3 در بسته نرم‌افزاری سیدگس استفاده می‌شود. همانطور که در شکل آمده، پایین‌ترین نقطه از این فونداسیون فاصله‌ای 2.3 متری از سطح خاک داشته و  فونداسیون از چپ، راست، جلو، عقب و پایین با خاک در تماس بوده و بالای سیستم زمین خاک وجود ندارد. در این مثال مقاومت مخصوص بتن برابر با 30 اهم متر فرض گردیده و با در نظر گرفتن یک میلگرد 14 و عبور آن از همه شناژهای فونداسیون، یک الکترود یوفر ایجاد می‌گردد. نظر به پیچیدگی‌های مدل‌سازی با یک شبیه‌سازی نسبتا طولانی مقاومت سیستم زمین فونداسیون در این حالت برابر با 4.98 اهم محاسبه می‌شود. مقایسه این نتیجه با مقدار مقاومت محاسبه شده از رابطه BS6651 خطایی حدودا 63 درصدی را نشان می‌دهد. هرچند که این به معنای تعمیم چنین خطایی به سایر سناریوها نبوده و صرفا در این مثال خاص این مقدار از خطا محاسبه شده است. اما در همین مثال هم میتوان دید که چرا استاندارد از این رابطه تحت عنوان "تخمین" مقاومت زمین استفاده کرده است.

در این مثال، عملا با این ابعاد از فونداسیون به یک سیستم زمین 5 اهمی رسیده‌ایم. ارزش این مقاومت در این خاک 100 اهم متری و در فضای حدودا 6 در 9 متر زمانی مشخص می‌شود که این نوع از الکترود با رقبا مقایسه شود. برای نمونه برای رسیدن به چنین مقاومتی در صورت استفاده از الکترودهای میله‌ای (3 متری به قطر 16 میلیمتر) باید در یک خط مستقیم 6 الکترود میله‌ای (با فاصله‌گذاری 5 متری) بکوبیم. یعنی در یک مسیر 25 متری 6 الکترود کوبیده شود. حال آن که در صورت امکان اجرای الکترود فونداسیون، رسیدن به چنین مقاومتی صرفا از طریق استفاده از ظرفیت یک جزء از سازه ساختمان وجود دارد. 

منابع

1-دستورالعمل سیستم اتصال زمین شبکه‌های توزیع 1402، شرکت توانیر - معاونت هماهنگی توزیع دفتر مهندسی و راهبری شبکه

2- نگاهی کاربردی به سیستم‌های زمین، حفاظت صاعقه و شیلدینگ، جلیل خدایاری، شاهرخ شجاعیان، انتشارات قدیس

3- DIN-18014-2014 - Foundation earth electrode –Planning, execution and documentation, English translation of DIN 18014:2014-03

4- BS 7430:2011+A1:2015 - Code of practice for protective earthing of electrical installations